Cr2AlC、Ti2AlC陶瓷及其复合材料的原位合成机理与性能的研究

摘要

三元层状陶瓷(Mn+1AXn)兼具有金属和陶瓷特性,这类材料具有可加工、轻质、高弹性模量、高导热、高导电、良好的抗高温氧化和腐蚀、抗热震性等特性,是一种新型的功能结构陶瓷材料。本文以Ti、Cr、Al和C粉为原料,研究了摩尔比为Ti:Cr:Al:C=2-m:m:1:1的体系的原位合成热力学及动力学问题,分析了体系的反应机理和反应路径。采用热压烧结(HP)和自蔓延准热等静压(SHS/PHIP)原位固-液反应合成成功制备出了Cr2AlC、Ti2AlC及其复合材料。研究了初始成分、预压压力、升温速率、加压压力及热处理对制备材料的成分与组织的影响,对制备的材料进行了室温力学性能、热膨胀性能、导电性能测试,分析了成分、制备工艺以及组织结构对性能的影响。
　　对摩尔比为2(-m ：m:)1:1:的Ti-Cr-Al-C体系进行了热力学实验和动力学研究,发现绝热燃烧温度随Cr元素增加而降低,且当m>1.5时,体系在室温环境下无法以SHS反应的形式自发进行。高放热体系的燃烧波蔓延速率更大,体系中燃烧产物的分层现象更明显,产物密度也更小于预压块密度,燃烧前沿温度分布梯度也较大,但反应总体呈现出平面燃烧模式。
　　在利用Ti-Al-C体系原位合成Ti2AlC时,Al先熔化,然后引发Ti和C反应放出大量的热,在体系达到绝热燃烧温度后的降温过程中,相继析出 Ti-Al金属间化合物与TiC反应生成Ti2AlC。而Cr-Al-C体系原位合成Cr2AlC时,Cr2AlC主要由Al8Cr5与C在升温过程中反应而得到。Cr含量较高的Ti-Cr-Al-C体系会形成Cr-Al金属间化合物和Cr2AlC。而 Cr含量较低的Ti-Cr-Al-C体系,会生成TiC、Ti3AlC2、Cr2AlC和少量的Cr-Al金属间化合物。
　　采用原位固-液反应/热压烧结合成了Cr2AlC陶瓷材料,通过研究体系原位合成工艺中升温速率、预压压力等因素对Cr2AlC陶瓷材料成分、微结构的影响,得出了原位合成单相块体Cr2AlC陶瓷材料的最优工艺,并对制备的Cr2AlC陶瓷材料进行了室温力学性能、热膨胀性能、导电性能测试,分析了第二相对Cr2AlC陶瓷材料性能的影响。当预压压力为30MPa时,其孔隙率能起到很好的毛细作用,使得Al液能够渗透到整个反应物,充分扩散并发生反应,从而得到单相的Cr2AlC陶瓷。升温速率缓慢时,由于Al长时间处在高温下,造成Al过量的挥发损失,从而不利于得到单相的Cr2AlC陶瓷。弥散分布在Cr2AlC陶瓷的晶界和晶粒内层片间的Cr7C3第二相,以及在层片中形成的多核的Cr7C3颗粒,会起到很好的强化作用,从而提高Cr2AlC陶瓷的硬度和强度;同时,Cr7C3颗粒也会阻碍基准面的运动和微裂纹的扩展,不利于微裂纹在层片中扩展吸收能量,从而降低Cr2AlC陶瓷的韧性。此外,Cr7C3的存在也会降低Cr2AlC陶瓷的热膨胀系数、热容、热导率以及Cr2AlC陶瓷高温时的(>400K)电导率,但影响效果并不显著。
　　通过研究压力、加压温度、Al含量和热处理的影响,采用低成本的原位固-液反应/SHS/PHIP技术和后续热处理成功制备出了单相块体Ti2AlC陶瓷。利用高分辨透射电镜观察了Ti2AlC晶粒沿[2342]、[0001]和[0011]方向的高分辨像、衍射斑点和原子组态。在1400℃下热处理60min后得到的单相Ti2AlC陶瓷晶粒大小为10-25μm,小于采用热压烧结和热等静压技术制备的Ti2AlC晶粒尺寸。Ti2AlC陶瓷中存在的TiC和Ti3AlC2会对Ti2AlC起到强化作用,而且TiC的强化作用更为明显。在1400℃热处理过程中,Ti2AlC的晶粒有明显的长大趋势,这种晶粒的长大有利于试样组织的交叠和致密化,从而获得更纯、更致密的Ti2AlC陶瓷,并提高其力学性能。
　　以Ti、Cr、Al和C粉为原料,采用固-液反应原位合成制备出了含有Cr2AlC和Ti2AlC的陶瓷基复合材料,并对制备的材料进行了室温力学性能测试,结合材料的成分、微观组织结构特征分析了材料的强韧化机理。利用SHS/PHIP方法能够制备出致密的、均匀的、相互交叠的微观组织结构的复合材料,其微观结构和第二相TiCx颗粒弥散强化使得其具有很高的强度和硬度。同时,其微观组织结构和位错等缺陷有利于裂纹偏转,并能有效地消耗裂纹扩展的能量,从而提高材料的韧性。

目录

Cr2AlC、Ti2AlC 陶瓷及其复合材料的原位合成机理与性能的研究

IN SITU SYNTHESIS MECHANISM ANDPROPERTIES OF Cr2AlC, Ti2AlC CERAMICSAND THEIR COMPOSITES

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 三元层状陶瓷的研究现状

1.3 Cr2AlC 陶瓷的研究现状

1.4 Ti2AlC 陶瓷的研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 三元层状陶瓷及其复合材料的制备与实验方法

2.1 实验原料及制备工艺

2.2 试验方法

第3章 三元层状陶瓷及其复合材料的合成机理与动力学研究

3.1 体系的热力学实验研究

3.2 体系的原位合成反应机理研究

3.3 动力学研究

3.4 本章小结

第4章 Cr2AlC 陶瓷的原位合成与性能的研究

4.1 Cr2AlC 陶瓷的制备及实验设计

4.2 Cr2AlC 陶瓷制备及其微观组织

4.3 Cr2AlC 的性能

4.4 第二相颗粒对力学性能的影响

4.5 第二相颗粒对物理性能的影响

4.6 本章小结

第5章 Ti2AlC 陶瓷的原位合成与性能的研究

5.1 制备工艺及及实验设计

5.2 压力对制备Ti2AlC 陶瓷的影响

5.3 温度对制备Ti2AlC 陶瓷的影响

5.4 Al 量对制备Ti2AlC 陶瓷的影

5.5 热处理对制备Ti2AlC 陶瓷的影响

5.6 Ti2AlC 陶瓷的微观组织

5.7 Ti2AlC 陶瓷的力学性能

5.8 本章小结

第6章 原位合成三元层状陶瓷基复合材料的力学性能及其强韧化机理的研究

6.1 复合材料制备与实验设计

6.2 物相组成分析

6.3 微观组织结构分析

6.4 室温力学性能

6.5 强韧化机理分析

6.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历